具有改善效率的開關模式dc-dc轉換器的制造方法
【專利說明】具有改善效率的開關模式DC-DC轉換器
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2014年6月12日提交的美國臨時專利申請第62/011，401號的優先權，通過引用將其全部內容并入本文。
技術領域
[0003]本公開一般涉及DC-DC轉換領域，特別涉及在輕負載導電模式下具有改善的效率的開關模式集成轉換器。
【背景技術】
[0004]DC-DC轉換器通常用于為電子系統提供穩定高效的電壓源。BOOST或升壓轉換器是一種提供比其輸入電壓更高的輸出電壓的DC-DC轉換器。例如，輸入電池電壓可以增壓到所希望的較高電壓，以向電子系統提供恒定的電力供給，例如，一串發光二極管所需要的較高工作電壓。DC-DC轉換器的負載可以在大范圍內變化，并且轉換器通常需要在不同模式下工作。當DC-DC轉換器在連續導電模式(CCM，continuous conduct1n mode)下工作時，負載充分利用在每個切換周期期間由輸入電源供應的電力。另一方面，當轉換器在非連續導電模式(DCM，discontinuous conduct1n mode)下工作時，負載需要來自電源的較低電流，在切換周期的全部周期或部分周期期間供應至輸出的電流變為零。DC-DC轉換器常常需要在兩種操作模式下以及在各種電力需求情況下具有良好的整體轉換效率。
[0005]圖1圖示了可以進行DC-DCB00ST增壓型轉換器。參考圖1，電路100包括在節點VIN處的電壓源，其電壓電平等于輸入電壓。電感器102連接在VIN節點與中間切換節點LX之間。兩個開關104和106連接至中間切換節點LX。兩個開關104和106都可以是功率M0S晶體管。開關104連接在中間切換節點LX與接地節點GND之間，并且被配置成對電感器102充電。開關106連接在中間切換節點LX與輸出節點V0UT之間，并且用作為放電開關。輸出電容器110也連接至增壓轉換器的輸出節點V0UT。開關106通過使電感器中所存儲的能量改變線路來使電感器102放電，以對輸出電容器110充電。
[0006]增壓轉換器的基本操作開始于將輸入脈沖施加到開關104(例如，在節點柵極1處)，該輸入脈沖使開關104將中間切換節點LX短路到地。電流開始流過電感器102，激勵電感器。在這段時間期間，開關106是打開的。當開關102打開并且脈沖被施加到開關106(例如，在節點柵極2處)時，發生下一階段。在這段時間期間，存在穿過電感器102和開關106至電容器110和負載112的導電路徑。雖然存儲在電容器110處的電荷通過負載流出，然而在每個切換周期期間，電容器110被再充電。由控制器108提供脈沖，控制器108可以設置將脈沖的寬度，以保持在在負載112兩端的輸出電壓的預定電平。
[0007]圖2A圖示了用于開關102和開關104的控制波形，以及針對連續導電模式(CCM)所得到的穩態電流波形。這是在負載接近于轉換器的最大期望值的情況下的正常工作模式。如圖2A的圖200中所示，在循環時間T1期間，由于節點柵極1處的脈沖電壓，開關104閉合，并且通過電感器102的電流斜升。在循環時間T1期間，開關106斷開。另一方面，在循環時間T2期間，開關104斷開，開關106閉合，并且電感器102被配置成對電容器110和負載112充電，使通過電感器102的電流下降。可以選擇循環時間T1與循環時間T2之間的比，以將輸出電壓保持在預定電平。
[0008]圖2B圖示了用于開關104和開關106的控制波形，以及針對非連續導電模式(DCM)所得到的穩態電流波形。這是在輕負載或沒有負載的情況下的正常工作模式。如圖2B的圖250中所示，在循環時間T1和循環時間T2期間，開關104和開關106中的一個開關斷開。在循環時間T2期間，電感器102的電流下降到零。在循環時間T3期間，開關104和開關106都斷開，電感器102的電流保持為零。可以相對于周期(即，Tl、T2以及T3之和)來選擇循環時間T1與循環時間T2的比，以將輸出電壓保持在預定電平。
[0009]雖然在接近最大負載的條件下大多數DC-DC變換器在CCM下效率達到最大值，但是在輕負載下的效率對于電池供電設備通常更重要，因為這通常代表標稱工作狀態。因此，DCM下的效率的優化對于便攜式設備的良好使用壽命來說是重要的。
[0010]在DCM中，在切換周期結束之前，可以斷開放電開關(例如，開關106)。放電開關的斷開時間可以是當電感器已經被充分地放電時，使得電感器中所存儲的全部能量被轉移至負載，并且電感器中的能量為零。設計DCM下的DC-DC轉換器的難處在于如何精確確定電感器電流何時達到零，然后確定何時斷開放電開關。操作條件與部件屬性能夠降低零電流確定的精度，同時，無論零電流確定的精度如何，傳播延遲都能夠影響斷開開關的定時。

【發明內容】

[0011]現在將詳細地參考根據本文所公開的實施例的示例實施例并且在附圖中圖示了所述示例實施例的示例。只要可能，在全部附圖中將使用相同的附圖標記指代相同或相似的部件。
[0012]本公開提供了一種開關模式DC轉換器，該開關模式DC轉換器被配置成根據輸入電壓生成經轉換的電壓。該轉換器包括電感器和開關，該電感器被配置成存儲能量，該開關在切換節點處與電感器耦接，其中，該開關能夠被配置成閉合或斷開，以控制將存儲在電感器處的能量釋放至轉換器的輸出節點，并且其中，輸出節點被配置成提供經轉換的電壓。該轉換器還包括電路，該電路被配置成基于該開關之間的電壓差來控制斷開該開關的定時，其中基于在切換節點處的電壓來調節對電壓差的測量。
[0013]在一些實施例中，該電路還包括第一比較器，該第一比較器被配置成測量電壓差；并且其中，基于第一比較器的輸出電壓來控制斷開該開關的定時。在一些實施例中，第一比較器還包括偏移調節塊，該偏移調節塊被配置成在第一比較器中引入偏移，其中，基于切換節點處的電壓來調節所述偏移。在一些實施例中，第一比較器包括第一晶體管和第二晶體管，第一晶體管在第一節點處與第一電流源耦接，第二晶體管在第二節點處與第二電流源耦接；其中，第一晶體管與開關的第一端子耦接，第二晶體管與開關的第二端子耦接，并且其中，切換節點處的電壓與經轉換的電壓之間的比較基于第一節點與第二節點之間的電壓差。在一些實施例中，通過在第一節點和第二節點中的一個節點處注入偏移電流來引入偏移。在一些實施例中，在電感器被充電時的時間期間，第一比較器斷開。在一些實施例中，該電路還配置成測量該開關之間的電壓差并且對在切換節點處的電壓進行周期地采樣；其中，基于在切換節點處的多個電壓采樣來確定測量和調節的周期。
[0014]在一些實施例中，該電路還包括一個或更多個第二比較器，該一個或更多個第二比較器被配置成將在切換節點處的電壓與一個或更多個閾值電壓進行比較；并且其中，基于一個或更多個第二比較器的一個或更多個輸出電壓來調節偏移。能夠基于輸入電壓、經轉換的電壓或根據接地電位來生成一個或更多個閾值電壓。
[0015]在一些實施例中，該電路包括兩個第二比較器，這兩個第二比較器被配置成將切換節點處的電壓與兩個閾值電壓進行比較并且生成第一輸出電壓和第二輸出電壓，其中，當第一輸出電壓超過第一預定值時增大該偏移，并且其中，當第二輸出電壓超過第二預定值時減小該偏移。
[0016]在一些實施例中，該電路包括第二比較器和多路轉換器；其中，多路轉換器被配置成從一組閾值電壓中選擇閾值電壓；其中，第二比較器被配置成將切換節點處的電壓與所選擇的閾值電壓進行比較。
[0017]在一些實施例中，開關模式DC轉換器還包括計數器和一個或更多個采樣器；其中，一個或更多個采樣器被配置成對一個或更多個第二比較器的一個或更多個輸出電壓進行采樣；并且其中，計數器被配置成存儲值并且基于一個或更多個采樣器的一個或更多個輸出來更新或保持所存儲的值；并且其中，基于所存儲的值來調節所述偏移。在一些實施例中，一個或更多個采樣器包括鎖存器；并且其中，基于被配置成閉合或斷開該開關的控制信號來定時鎖存器。在一些實施例中，開關模式DC轉換器還包括一個或更多個數字濾波器，該一個或更多個數字濾波器被配置成對一個或更多個采樣器的一個或更多個輸出進行濾波；其中，計數器被配置成基于一個或更多個數字濾波器的一個或更多個輸出來更新所存儲的值。在一些實施例中，基于目標值來更新所存儲的值。
【附圖說明】
[0018]圖1圖示了現有技術中的BOOST轉換器的電路示意圖。
[0019]圖2A和圖2B圖示了現有技術中的增壓轉換器的CCM波